发动机连杆涨断加工工艺研究 毕业论文.doc

发动机连杆涨断加工工艺研究 目目 录录 摘要.2 ABSTRACT 3 一绪论.4 1.1 引言.4 1.2 汽车连杆的分类及其结构 .5 1.2.1 汽车连杆的分类5 1.2.2 汽车连杆主要结构 5 1.3 传统连杆加工技术简介 5 1.3.1 连杆毛坯制备方法 5 1.3.2 传统连杆制造工艺规程与要求 .6 1.4 选题的意义、目的、内容 7 1.4.1 选题的意义7 1.4.2 选题的目的7 1.4.3 主要研究内容7 1.5 本章小结.8 二裂解原理及常见材料分析 .9 2.1 连杆裂解技术的发展 .9 2.2 连杆裂解原理9 2.3 连杆裂解工艺流程与要求 .9 2.4 常见的连杆裂解缺陷 .10 2.5 常用连裂解材杆料介绍 .11 三连杆涨断加工工艺过程 .13 3.1 涨断连杆加工工艺分析 .13 3.1.1 连杆材料和毛坯的特点 13 3.1.2 断裂面设计13 3.1.3 初始裂解槽加工及加工设备 13 3.1.4 裂解加工及其设备14 3.1.5 裂解加工技术质量要求及其影响因素分析.15 3.2 连杆涨断力学及参数分析 .16 3.2.1 裂解曲率半径 R 与 K1和 Y 的关系 .17 3.2.2 裂解槽张角 与 K1和 Y 关系.18 3.2.3 裂解槽深度 H 与 K1和 Y 关系.19 3.3 机械加工工艺分析 .19 3.3.1 机加工技术要求19 3.3.2 机加工工时21 3.4 本章小结.21 参考文献.23 1 摘要摘要 本文主要研究发动机连杆涨断加工工艺，在此基础上介绍了适合于涨断加工的连杆材 料及各种材料的性能和应用范围。根据已知的一些连杆涨断影响因素，对适合涨断的连杆 材料进行了综合分析，分析了钢中各组成化学成分对力学性能和物理性能的影响，针对新 型涨断连杆材料 C70S6 钢，对奇瑞 E4g16 型连杆进行了准静态裂解理论分析。并分析了应 力集中程度，预制裂解槽张角、曲率半径、槽深对裂解力及几何形状因子等。 通过上述分析与研究，确定一种新的连杆涨断研究方法，并得到了一些工艺参数的影 响规律，为以后的研究提供技术支持。 关键词：连杆；涨断；分析；工艺 Abstract This paper aim at the technique of fracture splitting of connecting rod, materials of connecting rod suitable for fracture splitting and their functions and scope of application were presented. The materials fitting to fracture splitting have been analyzed, according to some influence factors that the former has researched. The influence that the chemistry compositions to the mechanics function and the physical function in steel have been analyzed. The theory of quasi- static fracture splitting of suitable connecting rod for E4g16 has been studied. Through analysis and research above, a new study method of fracture splitting of connecting rod has been confirmed, some variable regularity of technician parameters have been obtained. All of them will be advantage with future study work. Key words: Connecting rod Fracture splitting Analysis Technobogy 绪论绪论 1.11.1 引言引言 汽车工业作为全球经济发展的支柱产业之一，进年来发展非常迅速，特别是 2008 年全 球性的经济危机的爆发，在给我国汽车工业带来严峻挑战的同时，而更多的则是机遇。 2009 年 10 月 20 日第 1000 万辆汽车在长春一汽诞生1。作为汽车和摩托车发动机的重要 零部件，连杆的需求量也与日剧增。尤其 2009 年随着中国汽车产量突破千万辆大关，连杆 的需求已过亿件，同时其他行业对连杆的需求量也在与日俱增。因此如何在连杆设计与制 造过程中提高产品的质量、简化加工过程、降低成本、降低能耗已经成为提高产品竞争能 力的核心技术。 连杆作为内燃机的关键零件，起着连接活塞和曲轴的作用。在发动机工作期间，连杆 的工作环境非常的恶劣，除了承受燃烧室燃气产生的压力外，还要承受纵向和横向的惯性 力。因此连杆是在一个复杂变化的应力状态下工作，这些应力包括交变拉应力和弯曲应力， 因而连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形。若连杆的刚度不够则可能产生大头孔失 圆，导致连杆大头轴瓦因油膜破坏而烧损；如果连杆杆身弯曲则会造成活塞与气缸偏磨， 活塞环漏气，窜油等问题2。可见作为发动机中重要零的部件，为此就要求连杆在质量尽 可能小的情况下，必须有足够的强度和刚度。然而传统、落后的生产模式已经越来越难以 适应上述要求，加工技术变革就成为了连杆制造技术发展的必然趋势。而传统的连杆加工 技术工艺复杂、定位不够精确、装拆麻烦、废品率高、经济性差3。因此迫切需要新技术 和新工艺在连杆加工中应用，而连杆裂解加工新工艺就是在这种情况下产生和应用的。 连杆裂解技术首先兴起于西方汽车工业发达的国家，在 90 年代逐渐成熟起来的一种连 杆制造新工艺，是对传统的连杆加工工艺的重大变革，并已成为一个国家发动机连杆制造 业发展水平的重要标志。作为一种先进的制造技术，该工艺在国外各大汽车公司已经得到 了广泛的推广应用，许多大型汽车公司、研究机构以及工具、设备制造公司相继在连杆裂 解技术领域开展了大量的研究工作，并已设计、制造出了大型的自动化生产线。连杆裂解 加工技术得到不断发展并日趋成熟。 在目前我国连杆生产过程中广泛存在着新技术缺乏、开发能力不足、技术装备陈旧以 及材料等问题，国内还有很大一部连杆制造企业普遍采用传统落后的加工技术，消耗大量 的材料、能源、工时、设备，刀具等，成本居高不下，而且质量更是难以保证。在汽车生 产尤其是轿车生产的规模不断变大，全球性竞争日趋激烈的大背景下，拘泥于落后工艺的 连杆生产模式已难以满足日益提高的发动机产品性能要求和现代汽车工业发展的需求。国 内虽有部分工厂采用了连杆裂解加工新技术加工连杆，但是绝大多数的生产线都是从国外 成套引进的。可以说核心技术还是一直被国外垄断。对于国内日益成熟并发展壮大汽车制 造也市场，迫切的需要新技术、新装备的自主化。为了不断提高产品质量 、降低生产成本 、增强市场竞争能力，国内部分汽车公司已经原有传统的连杆生产线进行了技术改造，并 加大对涨断技术及其装备的研发投入，并取得较大突破。 1 随着连杆制造技术的发展，连杆裂解技术以其精密、优质、高效率、低成本和显著的 竞争力优势，必将成为我国乃至世界范围内连杆制造技术的发展方向。 1.21.2 汽车连杆的分类及其结构汽车连杆的分类及其结构 1.2.11.2.1 汽车连杆的分类汽车连杆的分类 1、柴油机连杆 柴油机连杆，因承受的爆发压力大，转速偏低，首先考虑强度，故结构尺寸偏大、质 量大、刚度好4。 2、汽油机连杆 设计汽油机连杆，尤其是高速汽油机连杆时，因其转速高、惯性力大，所以连杆设计 要求结构轻巧，质量轻，刚度好4。 1.2.21.2.2 汽车连杆主要结构汽车连杆主要结构 连杆由大头、杆身和小头组成。 连杆小头一般采用薄壁圆环形结构，使其受力较均匀，重量轻，小头与杆身之间采用 较大圆弧半径，以减小过渡处应力集中。连杆小端宽度做成锥形，承受燃烧压力负荷的小 端下部面积较大，可适应发动机高输出功率，同时也比以往等宽度结构减轻了重量。而连 杆杆身相对连杆大头的纵向轴线是对称的，因而工字形断面的连杆杆身适合于模锻，并且 刚度大而质量轻。 连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连，大头有整体式和分开式两种，一般都采用分开式， 即分为大头体和大头盖，借特制的连杆螺栓连接，如图 1-1 所示。 图 1-1 平分式 1.31.3 传统连杆加工技术简介传统连杆加工技术简介 1.3.11.3.1 连杆毛坯制备方法连杆毛坯制备方法 连杆在工作中承受多种交变载荷的作用，要求其具有很高的强度和刚度，因此连杆的 材料一般都采用高强度的碳钢和合金钢。如 45 号钢、55 号钢、40Cr、40MnB、40MnVB 等。 传统连杆生产方法通常有铸造和锻造，由于铸铁连杆件质量不稳定力学性能差而渐渐被淘 2 汰。锻造工艺很好的解决了这方面的问题，因此，一般连杆在大批量生产时多采用模锻法 制造毛坯。目前，国内外连杆毛坯主要有两种类型，即整体式和体盖分开式。其中，整体 式因有节材节能，以及节省锻造模具等特点被广泛采用5。 另外，在国内有些生产的连杆的工厂，采用了连杆辊锻加工工艺。辊锻法生产的连杆 锻件，其表面质量、内部金属组织、金属纤维方向以及机械强度等方面都可达到模锻水平， 并且设备简单，劳动条件好，生产率较高，适于实现机械化、自功化，适于在大批大量生 产中应用。 粉末冶金生产连杆是新发展起来的一种工艺，主要包括粉末锻造工艺和粉末冶金工艺 (一次烧结法)。粉末锻造技术是常规的粉末冶金工艺和精密锻造有机结合而发展起来的一 项颇具市场竞争力的少、无削金属加工方法。以金属粉末为原料，经过预成形压制。因为 粉末锻造工艺技术制造的零件具有材料利用率高、力学性能好、锻件尺寸精度高、质量轻、 质量偏差很小、切屑加工余量少等特点，因而粉末冶金技术发展的也越来越成熟。 1.3.21.3.2 传统连杆制造工艺规程与要求传统连杆制造工艺规程与要求 传统的连杆制造工艺中，主要有两种方法： （1）整体式；即连杆体和连杆盖整体铸造或锻造。 （2）体盖分开式；即连杆体和连杆盖分别铸造或锻造。 其中整体整体式因有节材节能，以及节省锻造模具等特点被广泛采用。虽然整体法优 越与分体法，但是其工艺路线还是非常的繁琐，而其为了定位准确，装夹牢靠，还必须设 计专用的组合夹具。其加工的具体工艺路线是：先划线，然后立铣，再划线，在立铣，接 着是对毛坯进行热处理，之后划线，立铣，再划线，再在卧式铣床铣削，之后在加工中心 进行后续加工。因此可以看出其加工工艺路线非常繁琐，一般情况下其加工工艺具体过程 如下： 粗磨连杆体两侧面拉削连杆体的分离面、大小定位点拉削连杆体与盖半圆、侧定 位点、螺栓座面、分离面清洗粗加工连杆小头孔粗、半精、精加工螺栓孔、铣连杆 体和盖的锁瓦槽磨分离面压衬套并精整倒角并铣平小头衬套钻油道孔清洗装 配连杆精磨两侧面半精、精镗大小头孔终检。 采用上述传统加工方法有以下几个缺点： 1）需要分别锻造连杆盖和连杆体，或者整体锻造连杆，再用铣刀将留有切断余量的连 杆锻件大头孔分离成连杆盖和连杆体； 2）连杆盖和连杆体的结合面需要精加工，精度要求很高，需要粗磨、精磨等多道加工 工序； 3）连杆盖和连杆体之间需要定位元件，需要用专用螺栓、插销等特定元件来保证连杆 盖和连杆体的可靠定位； 4）连接螺栓孔结构复杂，表面加工精度要求高，而且螺栓孔的加工要与结合面保持很 高的垂直度。 因此根据上述的加工缺点，在传统的加工工艺中必须要满足以下几点要求： 3 1）连杆毛坯件大头孔要制成椭圆形，并要留有足够的加工余量，大头孔厚度要大于杆 体和小头孔 3-4mm； 2）连杆体和连杆盖拉削分离时，两断面要保持相对平行，不能偏差太大； 3）在加工螺栓孔时，保证定位精准； 为防止加工后零件变形导致尺寸超差，应不间断随机抽查零件尺寸，以保证尺寸及形位公 差要求。 1.41.4 选题的意义、目的、内容选题的意义、目的、内容 1.4.11.4.1 选题的意义选题的意义 连杆作为发动机中重要的部件之一，其质量直接影响到发动机乃至整部汽车的安全使 用和行驶。而连杆裂解技术的应用可以很好是提高连杆的质量，但是作为一种先进的制造 技术，该工艺在国外各大汽车公司得到广泛的推广应用，加工的范围涵盖了轿车、轻型车 等车辆的小型连杆以及卡车等重型车辆的大型连杆，并且正在逐步取代传统加工工艺，成 为连杆加工业的一大趋势。而在我国国内除了极少公司花巨资从国外引进连杆裂解生产线 进行连杆裂解加工外，其他企业仍然采用传统落后的加工方法，严重阻碍了我国汽车工业 的发展，因此，必须加强连杆裂解工艺与装备的研究开发，并迅速在国内推广应用，这对 于我国汽车制造业提高产品质量、提高生产效率、降低生产成本、增强产品竞争力具有非 常重要的意义。 1.4.21.4.2 选题的目的选题的目的 目前国外对裂解技术研究的比较深，对各种工艺参数的合理选择掌握了很多成熟的经 验。国内虽然也在开展连杆裂解工艺的研究，但是主要设备和材料还需由国外进口，并且 在技术上也很不成熟，在实际生产中还存在着许多的问题，如撕裂、裂不开、掉渣、断裂 面变形等裂解缺陷，影响产品质量稳定性，但目前各种因素对连杆裂解质量的影响机理还 不明确，对裂解力能参数的选用主要依靠经验，尚无理论支持。因此对于连杆裂解技术的 研究就显得十分的迫切。 现有的文献资料虽然表明影响连杆裂解质量的因素很多，如裂解温度、裂解速度、连 杆材料特性、裂解槽参数、背压力等8，但是都可以通过对裂解槽优化设计、裂解力能参 数合理选择、提高设备加工精度及功能等来改善连杆裂解质量。所以在分析连杆裂解加工 中，找出连杆裂解的宏观和微观机理、各因素对连杆裂解质量的影响，然后选取合理的裂 解槽参数、降低连杆裂解力、降低能耗。因此进行连杆裂解加工工艺及其参数的研究，将 为连杆材料的研发、设备设计和工艺的编排提供依据和支持，对提高连杆裂解的质量产生 重要的影响。 1.4.31.4.3 主要研究内容主要研究内容 本论文的主要研究内容如下： 4 1）结合近年来国内外在裂解设备和工艺等方面已经取得的成果，根据弹塑性力学、断 裂力学和应力集中的相关理论，针对发动机连杆裂解工艺，并结合已知的一些连杆裂解影 响因素，对适合裂解的连杆材料进行了综合分析，分析钢材中各组成化学成分对钢的力学 性能和物理性能的影响；分析金相组织对钢材的力学性能和物理性能的影响，为制造裂解 新材料的方法和工艺提供参考。 2）针对新型裂解连杆材料 C70S6 钢，对奇瑞 E4G16 型发动机配套连杆进行准静态裂 解力学理论分析。 3）通过准静态裂解理论，根据弹性、断裂和应力集中的相关理论分析于计算，获得预 制裂解“V”型槽张角、曲率半径、槽深等相关数据。对连杆裂解的参数选择、预制裂解槽 的合理设计及裂解工艺参数的确定提供参考。 1.51.5 本章小结本章小结 本章主要介绍了国内外的裂解连杆生产现状，毛坯件的生产方式和连杆裂解所用的材 料等，分析了部分连杆材料的化学成分及其力学性能。为连杆涨断加工工艺分析做铺垫。 5 裂解原理及常见材料分析裂解原理及常见材料分析 2 21 1 连杆裂解技术的发展连杆裂解技术的发展 针对传统连杆制造工艺的缺点，为了降低制造费用和工时，提高配合精度，对连杆后 续加工工艺的改进进行了研究，连杆的裂解工艺应运而生。首先于 80 年代中期，由 Alfling 公司在德国申请专利。其后，与其相关研究不断在美、德获得进展。连杆裂解技 术是对连杆传统机构加工技术的重大变革，实现了连杆杆身和连杆盖结合面进行无屑断裂 剖分加工的新技术，具有加工工序少、设备投资小、制造成本低、产品质量好、装配精度 高、承载能力强等诸多优点。 2.22.2 连杆裂解原理连杆裂解原理 连杆裂解技术的原理是基于材料断裂力学和应力集中理论，首先人为的使整体锻造的 连杆毛坯大头孔产生裂痕，形成初始裂纹源，以提高裂解过程的应力集中系数；然后利用 特定的方法使初始裂纹源启裂并快速扩展，达到连杆本体与连杆盖分离的目的6。其裂解 过程如图 1-2 所示,可分为以下几步： （1）在连杆锻造毛坯大头孔内，预先加工出裂解槽，形成初始断裂源； （2）在裂解专用设备上首先从连杆大头内孔侧施加径向力，使裂纹由内孔向外不断扩 展直至完全裂解； （3）连杆盖从连杆本体上分离出来，利用断裂面犬牙交错的特征，再在裂解专用设备 上将裂解分离后的连杆盖与本体精确复位，最后在断裂面完全啮合的条件下，完成上螺栓 工序及其它后续与传统工艺相同的切削加工工序。 图 1-2 连杆裂解过程 2.32.3 连杆裂解工艺流程与要求连杆裂解工艺流程与要求 连杆裂解工艺对于毛坯的要求比较高，不仅要求其材料塑性变形小、强度好、脆性适 中、工艺性好，还要在保证连杆强韧等性能指标的前提下，限制连杆的韧性指标，使断口 6 呈现脆性断裂特征7。根据资料知，奇瑞 E4G16 型发动机连杆为锻件，其材料是 C70S6。 以下是针对奇瑞 E4G16 连杆的裂解加工工艺流程： 首先粗磨连杆两侧面； 粗、半精镗连杆的大小头孔； 钻螺栓孔、油孔并攻丝； 激光加工裂解槽； 清洗除杂； 在裂解主机上涨断大头孔； 装配螺栓； 压衬套并拉小头孔； 精磨连杆杆身两侧面； 精镗大小头孔且小头孔为椭圆行； 称重并进行动平衡； 清洗； 检验入库。 对比传统加工工艺可知，裂解工艺是以整体加工代替分体加工。将原有连杆杆身与连 杆盖的半圆加工变为裂解装配螺栓后大头孔整圆精加工，省去了连杆杆身与连杆盖结合面 的拉削与磨削等传统加工工序，简化了螺栓孔结构设计和整体加工工艺，降低了螺栓孔的 加工精度要求。此外，断裂剖分的结合面凸凹不平，大大提高了接触面积，可使连杆承载 能力、抗剪能力、连杆杆身和连杆盖的定位精度、装配质量大幅度提高。 裂解加工过程中的工艺要求： 1）首先要选择合理的裂解材料，以满足连杆机械性能和裂解加工要求： 2）要合理的优化设计裂解的形状和尺寸，采用先进加工技术，用于保证裂解槽的尺寸 和槽面的质量； 3）合理选择裂解力参数，保证裂解力与裂解速度完美配合； 4）在裂解过程中要保证连杆身和盖做直线运动，并保证工件在各个工序间传递准确精 准，尤其在裂解后的定扭矩螺栓的装配工序中，严格保证两端面完全啮合，防止错位。 2.42.4 常见的连杆裂解缺陷常见的连杆裂解缺陷 在连杆裂解加工过程中一些主要缺陷为： 1）连杆外轮廓大面积掉渣(俗称爆口)； 2）因裂纹分叉导致断裂面夹渣(包夹)； 3）断裂面啮合性差； 3）因裂纹扩展偏移引起断裂面偏离预定位置； 4）由于一侧裂纹槽迅速启裂而引起的单边断裂； 5）裂解过程中塑性变形较大而引起的大头孔失圆等。 因此为了保证裂解质量，在裂解材料选择时必须注意：首先要保证锻造空冷后有足够 的强度，以满足连杆使用性能的需要；其次要求在保证强韧综合性能指标的前提下，呈现 脆性断裂特征，且其断裂面应有良好的啮合性。另外还应注意裂解槽的加工以及槽的各项 7 参数，同时还有裂解载荷选择，加载速度控制等。 2.52.5 常用连裂解材杆料介绍常用连裂解材杆料介绍 目前，国外用于裂解加工的连杆材料主要有粉末冶金、高碳钢、球墨铸铁和可锻铸铁。 C70S6 是最早在室温条件下采用裂解加工的锻钢连杆材料，锻后利用锻造余热控制冷却代 替锻后重新调质处理,金相组织为珠光体加断续的铁素体，其成分特点是低硅、低锰、添加 微量合金元素钒及易切削的元素硫，合金元素较少。SpltasCO70 具有和 C70S6 相同的化学 成分,在冶炼工艺中添加了控制合成物，进一步提高了材料的可加工性。SpltasSCO 系列锻 钢的化学成分和力学性能如表 1-1 和表 1-2。 表 1-1 SPLITASCO 系列锻钢的化学成分 化学成分(质 量分数，%) CMnSiSPV C70S60.700.550.600.07 SPLITASCO7 0 0.700.550.600.07 SPLITASCO5 0 0.501.600.65 0.150.07 SPLITASCO3 8 0.381.200.650.0750.0850.085 表 1-2 SPLITASCO 系列锻钢的力学性能 牌号抗拉强度 /MPa 屈服强度 /MPa 冲击韧性 k/J.cm2 疲劳极限 /MPa C70S6 9705347.7333 SPLITASCO709505455.5 310 SPLITASCO509545754330 9505754315 9395753.9315 9555752.8315 SPLITASCO389336705.4350 9186453.8350 8806153.7350 从表中可以看出：钢材加入 V，使珠光体中的铁素体内弥散析出碳(氮)化物，但加入这些 元素会降低冲击韧度，因此采用低碳含量和加入元素 Mn，就具有较好的综合力学性能。而 8 加入 V、Ti 等合金元素，其碳化物在锻造加热过程中，使晶粒的长大受到限制，锻后晶粒 较细，又加强了晶粒细化强化，进一步提高了强度和韧性8。 目前，模锻和模铸连杆还是占据主、重要地位，然而随着粉末冶金技术的飞速发展， 模锻和模铸临着粉末锻造钢连杆和粉末一次烧结钢连杆成形工艺的挑战。就国内现状而言， 粉末冶金锻造工业虽然有了一定的发展，但要提供大批量和高质量的粉末冶金锻件还不成 熟。而且涉及设备更新、技术改进等方面费用问题，因此在今后很长的的时期内，国产连 杆生产还将以模锻工艺为主。 9 连杆涨断加工工艺过程连杆涨断加工工艺过程 3.13.1 涨断连杆加工工艺分析涨断连杆加工工艺分析 3.1.13.1.1 连杆材料和毛坯的特点连杆材料和毛坯的特点 连杆的材料及金相组织不仅影响连杆的使用性能和机械加工时的切削性，而且还决定 了裂解加工的可裂开性和断面质量，对裂解工艺的成败起决定作用。因此连杆裂解加工要 求其材料塑性变形小，强度较好，脆性适中，工艺性好。按裂解加工技术要求，并根据上 文的介绍可知用于连杆裂解的材料基本上有球墨铸铁、可锻铸铁、粉末烧结金属、高碳钢 等。 铸造连杆的低塑性和易脆断极适宜裂解加工技术的应用。但铸造连杆重量偏差大,机械 性能较差，其使用受到限制。锻钢连杆组织结构与力学性能好，在传统连杆制造业中应用 最为广泛，尤其用于负荷大、转速高的发动机以及要求连杆具有高疲劳强度和可靠性的场 合，但锻造连杆毛坯几何精度低，材料韧性高，裂解加工产生的变形大，机械加工余量大， 重装精度低。 裂解连杆锻造毛坯形状、尺寸与普通连杆毛坯并无多大区别。但为减少裂解过程中的 裂解力及裂解时的大头孔变形，在不影响断裂面啮合的情况下，尽量减少大头孔中心处裂 解截面积。 3.1.23.1.2 断裂面设计断裂面设计 连杆断裂截面的形状影响着裂解的质量。裂解过程中裂纹首先发生在连杆大头孔内表 面，然后向两侧的螺栓孔和外侧表面扩展，当裂纹扩展至螺栓孔处时由一条裂纹扩展成两 条裂纹，越过螺栓孔后两条裂纹重新汇合。由于圆形的截面有利于两条裂纹在同一点汇合， 可因此提高裂解的质量。相反，如果断裂截面接近于矩形，两条裂纹汇合不到一起的风险 就大大增加，结果就很有可能产生暴口的缺陷。所以断裂截面的设计要尽量接近于圆形而 避免矩形截面。另外下述原因也有可能产生爆口缺陷：激光割槽深度不够；涨断工位不稳 定，需要加以调整；所用毛坯材料脆性过大，有质量问题，需要整改。 3.1.33.1.3 初始裂解槽加工及加工设备初始裂解槽加工及加工设备 初始裂解“V”型槽的质量决定着连杆裂解加工的质量。初始裂解槽的作用就是制造缺 口效应，提高应力集中系数，满足张开型断裂裂解的条件，确保断裂发生在预定的位置， 并且可以有效的降低裂解加工时的加工载荷，保证裂解加工顺利进行和裂解加工的质量。 初始裂解“V”型槽的主要尺寸主要有三个参数决定，既槽深 h、张角 、和曲率半 r 径。裂纹槽的加工不仅要保证适当的槽深、张角、曲率半径，而且应保证大头孔中心两侧 的裂纹槽位置对称、槽深一致，减少槽深偏差，以保证最终获得两个高质量的断裂剖分面。 若两侧槽深不一致，则会产生一边开裂而一边未开裂的“单边断裂”现象。 目前常用的 “V” 型槽的加工方法有机械拉削法和激光加工。机械拉削“V 型”裂解 槽的优点是成本较低，加工参数与制造精度容易控制。但由于在加工过程中拉刀会磨损变 10 钝，从而使得裂解槽曲率半径增大，将导致裂解缺陷率提高，为此在加工中需要经常更换 刀具或修刀。然而激光加工“V” 型裂解槽就不存在这方面的缺陷，因其具有切缝窄、速 度快、无刀具磨损、易裂解、重复精度高的特点，可降低裂解力、减少大头孔裂解变形等 优点，所以机械拉削裂解槽正在逐渐被激光加工裂解槽所取代。成用设备有裂解槽专业机 械拉削机床，裂解槽激光加工专用机床等。 3.1.43.1.4 裂解加工及其设备裂解加工及其设备 裂解过程中，为了保证裂解槽快速启裂、裂纹定向扩展并最后闭合，形成脆性断裂面， 必须严格控制载荷的施加方式、大小以及速度。为了保证裂解的质量，裂解加工必须在专 用的机床上才能完成。裂解设备如图 2-1 所示： 1加紧缸；2大头定位套；3侧向导轨；4推力销；5背压复位缸； 6连杆 图 2-1 连杆裂解主机9 该设备主要以下几个部分：4 个加紧油缸、1 个大头定位套、1 付侧向导轨、1 个楔形 推力销和 1 个背压复位油缸。其工作过程大致是先将连杆小头和大头固定在各自的定位套 上，夹紧缸夹紧连杆大头后，楔形推力销在其下拉缸作用下迅速向下移动，推动大头孔定 位套向后滑动，大头孔因此被拉断，分离成盖、杆两部分。之后用压缩空气来清理断面以 清除影响啮合的小料渣，在背压复位缸的推动下盖、杆复位并彼此精确地啮合在一起。为 保证盖、杆之间的精确复位，裂解设备导轨必须有非常高的导向精度。大头孔定位套是一 个非常重要的零件，其直径对裂解质量影响很大，合理的直径有助于大头孔受力状态良好， 从而获得很高的裂解质量和很小的变形。 另外为了后续的机械加工，连杆裂解后需采用螺栓将连杆杆身与连杆盖装合，并按技 术要求施加扭矩。由于断裂面呈现犬牙交错形态，因此在装配螺栓过程中需保证裂解后的 连杆杆身与连杆盖完全啮合、不错位。为防止错位或施加扭矩不一致，应同时进行两侧螺 栓的装配。因此为了保证装配质量，必须在专用定扭矩上螺栓设备上进行。预装配后将扭 矩卸载，使连杆杆身与连杆盖分离，对断裂面进行吸尘或采用高压气体清渣，然后按连杆 的技术要求重新装配螺栓至所要求的扭矩。 11 3.1.53.1.5 裂解加工技术质量要求及其影响因素分析裂解加工技术质量要求及其影响因素分析 连杆裂解加工技术属于精密加工技术，裂解加工后大头孔仅需精镗，技术质量有以下 3 个方面的要求： 1) 裂解加工后连杆大头孔不能有较大的失圆与变形，以免造成后续精加工余量的不足。 一般情况下，轿车类连杆裂解加工前后大头孔直径平均变化量要控制在 0. 05 mm 以下， 而卡车类连杆一般要求裂解加工后其大头孔直径变化量在 0. 08 mm 以下； 2) 由于断裂面将作为后续加工及装配的定位基准，所以要求断裂面具有较好的三维凹 凸曲面形态，以满足精确啮合的要求。断裂面的质量一般通过断裂面扩展的水平误差、断 裂面凸凹不平程度、连杆大头端外侧面掉渣面积等来衡量； 3) 由于连杆工作条件恶劣，在高温环境下承受交变载荷的作用且运动速度极高，因此 要求断裂面(接触面) 强度高、承载能力强。 影响裂解加工质量的因素除了上述几种外还有下列原因： 连杆裂解加工的材料。采用裂解方式加工的连杆，其材料有特殊的要求，首先要保证 锻造空冷后有足够的强度，以满足连杆使用性能的需要；其次要求在保证强韧综合性能指 标的前提下，呈现脆性断裂特征，且其断裂面应有良好的啮合性。有试验表明，连杆材料 选择不当是引起大头孔失圆的主要因素，例如常规 42CrMo 材料的连杆即便在预制裂纹槽 与裂解工艺参数都十分理想的条件下，也发生裂不开、塑性变形较大、大头孔明显失圆等 问题。而对于脆性较好的铸铁材料、粉末冶金材料与可裂解锻钢材料，裂解加工后连杆大 头孔变形量明显变小。 锻造工艺的影响。用于裂解加工的锻钢一般都是锻造后利用锻造余热控制冷却的方法 得到所需的组织与性能，而省去了锻后的调质处理。加热温度与锻后的冷却速度对材料力 学性能及微观组织有重要影响，进而对裂解加工质量产生影响。加热温度过高将导致晶粒 直连杆大头孔圆度变化量增加。在同一加热温度条件下，锻后冷却速度越快，连杆的硬度、 强度越高、脆性越好，有利于裂解加工，但冷却速度过快会产生马氏体组织，而且过高的 硬度将不利于裂解后连杆大头孔的后续精加工，故要求其在满足强韧综合性能前提下，提 高材料强度。 裂解载荷及加载速度的影响。有试验表明，裂解主动载荷过大，将导致裂解后连杆大 头孔塑性变形量增大。同时，较大的裂解载荷必然会带来较大的残余应力，在连杆装机后 残余应力的释放也将影响发动机的工作性能。而裂解载荷过小，会产生裂不开的现象，严 重的还会损害裂解加工设备。 因此为保证裂解加工质量，常采用“背压”裂解加工方法，即裂解前向连杆盖端螺栓 孔处及杆部圆弧过渡处施加背压力，背压力增大，裂解主动载荷也随之增加，将增加大头 孔变形量，故背压力为裂解载荷的 1/ 41/ 3 较为合理10。 加载速度越大，越容易发生脆性断裂，断裂面质量越好，大头孔变形量越小，随着加 载速度的增加，断裂面塑性区宽度下降，当加载速度大于 130 mm/ s 时，随着加载速度的 提高，断裂面塑性区宽度下降趋于平缓。所以为了减小断裂面塑性区宽度，提高裂解加工 12 质量，加载速度大于 130 mm/ s 较好。 3.23.2 连杆涨断力学及参数分析连杆涨断力学及参数分析 在连杆裂解加工过程中的工艺要求一下几点： 1）首先要选择合理的裂解材料，以满足连杆机械性能和裂解加工要求： 2）要合理的优化设计裂解的形状和尺寸，采用先进加工技术，用于保证裂解槽的尺寸 和槽面的质量； 3）合理选择裂解力参数，保证裂解力与裂解速度完美配合； 4）在裂解过程中要保证连杆身和盖做直线运动，并保证工件在各个工序间传递准确精 准，尤其在裂解后的定扭矩螺栓的装配工序中，严格保证两端面完全啮合，防止错位。 为满足上述要求，可运用断裂力学中的线弹性断裂力学理论对影响材料裂解各项因素 进行分析。连杆裂解加工类型属于线弹性断裂力学理论中的张开型断裂，而张开型断裂又 属于低应力脆断的基本形式。 张开型断裂裂纹的尖端的应力场为： （1） = sin sin sin sin sin sin 在式（）中，K1是裂纹端部区域应力场的一个公共因子，是决定裂纹端部区域应力场强 度的因素、x、y、xy为应力的分量；， 为裂纹尖端附近点的极坐标。从式中可 以明显看出：随着 减小，各应力分量值 x 、y 、xy 随之增大。当 0 时， x 、y 、xy 趋向于无穷大，即裂纹尖端应力的奇异性。应力随着 的减小而增大， 这样在紧靠裂纹尖端处的一定范围内其应力值将达到或超过材料的屈服强度而发生屈服， 此区域即裂纹尖端塑性区。 其中 K1的通式为： K1=Y （2） Y 为几何形状因子，是一个和裂纹形状、加载方式和试件几何形状有关的几何校正因 数。K1和外界作用应力及裂纹长度有关，当 K1增大到足以使裂纹尖端材料分离而进入失稳 扩展，引起试件断裂，即达到临界状态。 在资料8中根据式子计算 C70S6 的 K1C的值为 26.69 MPa·m1/2。有强度 2 1 = 2 3 2 因子知只有当 K1K1C时才会发生断裂。 根据不同几何形状下的裂解力和断裂面可得断裂应 力为裂解力与断裂面积的比值。连杆的断裂面面积计算可按照连杆盖或连杆体的断面如图 2-2 所示，几何形状因子 Y 可有式（2）得到。 13 图 2-2 连杆体 设计连杆裂解装置时，要考虑必须要考虑到施加载荷的大小、方向及速度等因素，而 且还必须注意控制大头空的塑性变形、单边变形以及弯曲断裂。因此设计合理的裂解装置 是裂解工艺成功的关键。图 2-3 是裂解装置的力学模型及其受力分析11： 图 2-3 连杆裂解装置力学模型及受力分析 受力平衡方程： = 0 F=2 2sin 2 + 2cos 2 3.2.13.2.1 裂解曲率半径裂解曲率半径 r r 与与 K K1 1和和 Y Y 的关系的关系 根据上述分析和公式可求得 K1和 Y 的数值，如下表所示： 表 2-1 连杆裂解曲率半径与 K1和 Y 的关系（=00） 14 H=0.6mmr(mm) 2=000.10.150.20.3 裂解力 F（kN） 52.4054.8555.4070.50 断裂面积 S（mm2） 243.40243.00243.00343.00 断裂应力 (MPa·mm2) 215.0226.5230.0296.8 K1 （MPa·m1/2） 26.526.726.826.7 Y2.852.702.682.10 表 2-2 裂解槽曲率半径与 K1和 Y 的关系（=450） H=0.6mmr(mm) 2=9000.10.150.20.3 裂解力 F（KN） 53.75 5555 56.0071.10 断裂面积 S（mm2） 243.40243.00243.00243.50 断裂应力 (MPa·mm2) 221.00229.50233.30299.5 K1（MPa·m1/2） 26.8526.8826.8026.82 Y2.802.702.682.10 从表中可以得出，当槽深和张角不变的时，随着曲率半径的增加，几何形状因子减小， 从而裂解力不断增加；而半径在 0.10.2mm 之间变化时，裂解力变化不大，而几何形 状因子和裂解力呈现递增关系。因此实际生产中裂解槽的曲率半径一般都在 0.10.2mm 区间选择。 3.2.23.2.2 裂解槽张角裂解槽张角 与与 K K1 1和和 Y Y 关系关系 在裂解槽深 H 和半径 r 不变时，张角 的变化与 K1和 Y 的关系如下表： 表 2-3 连杆裂解槽张角 与 K1和 Y 关系（r=0.1） H=0.6mm2 r=0.1 mm0306090 裂解力 F（kN） 52.4359.3063.8253.75 断裂应力 (MPa·mm2） 215.3243.7261.2220.9 K1（MPa·m1/2） 26.5826.9027.0026.78 Y2.862.552.402.80 表 2-4 连杆裂解槽张角 与 K1和 Y 关系（r=0.2） H=0.6mm2 r=0.2 mm306090 裂解力 F（kN） 060.363.956.0 断裂应力 (MPa·mm2） 230.0250.5265.8233.5 K1（MPa·m1/2） 26.827.027.126.80 Y2.682.482.352.65 15 从表 2-3 和 2-4 中可以看到张角在 00900区间变化时，裂解力 F 与几何因子 Y 基本 成反比关系，这与应力集中的理论很类似。因而在加工裂解槽时应尽可能使张角 的值最 小，这样不仅可以减小裂解力节约能源，而且还可以提高连杆的质量。 3.2.33.2.3 裂解槽深度裂解槽深度 H H 与与 K K1 1和和 Y Y 关系关系 在张角 和半径不变的前提下，随着槽深的变化裂解力和几何因子 Y 变化有下列变化： 表 2-5 连杆裂解槽深度 H 与 K1和 Y